[présentation pfe] conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle...
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15 Juin 2015
PERSWADE (1/2) 1
PERVASIVE AND SMART WIRELESS APPLICATIONS FOR THE DIGITAL ECONOMY
Préparer les étudiants à relever:► De nouveaux défis technologiques► De nouveaux problèmes d'intégration
spécifiques à l'application► Une nouvelle culture industrielle
PERSWADE (2/2) 2
PARTENAIRES
Problématique (1/3) 3
► Angle d’arrivée moyen► Étalement angulaire
LA PROPAGATION MULTI-TRAJETS
Problématique (1/3) 3
► Angle d’arrivée moyen► Étalement angulaire► Étalement de Doppler
LA PROPAGATION MULTI-TRAJETS
Problématique (3/3) 4
LE PRTOTYPAGE RAPIDE
Contrainte: Réduire le « Time-to-market »
Solution: Développer une méthode de prototypage rapide:
les plateformes radio-logicielles SDRSOFTWARE DEFINED RADIO
► Reconfigurables (à base de FPGAs)► Conception à haut niveau d’abstraction
ECOLE NATIONALE D’INGÉNIEURS DE TUNIS
Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et
l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA
PROJET DE FIN D’ÉTUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS
Présenté par:Yassine SELMI
Encadré par:M. Faouzi BAHLOUL - ENIT
M. Rabah ATTIA – ENITM. Abdelaziz SAMET - INRS
EMTM. Sofiène AFFES – INRS EMT
Démarche du projet 5
Etude de l’estimateur conjoint
Développement du modèle MATLAB/Simulink
Intégration du modèle dans une chaîne SIMO
Test et validation du modèle par SAO
Génération du canal radio
Implémentation et test de l’estimateur
12
34
56
PRÉSENTATIONDE L’ESTIMATEUR
CONJOINT
► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
1
Présentation de l’estimateur (1/3) 6
HYPOTHÈSES ET ALGORITHME
► Environnement macro-cellulaire► Communication uplink via un canal de Rayleigh► Communication Single-Input Multiple-Output (SIMO)
Signal reçu en bande de base à la ième antenne:
y
x
Station de base
dklmobile
Présentation de l’estimateur (2/3) 7
HYPOTHÈSES ET MODÈLE MATHÉMATIQUE
2. Angle d’arrivée moyen:
3. Étalement angulaire
4. Étalement de Doppler
1. Intercorrélation spatio-temporelle
Présentation de l’estimateur (3/3) 8
ADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
► Standard LTE: période symbole Ts = 10-5 secondes
► Estimateur développé sur une période symbole Ts = 60.10-5 secondes = 1/1500 secondes
► Période symbole : Ts = 10-5 secondes
► Période d’échantillonnage : Téch = 64.Ts = 64.10-5 secondes
► Nombre d’échantillons: Ns = 1024
► Durée d’observation: T = Téch.Ns = 0,65 secondes
CONCEPTION MATÉRIELLE DE L’ESTIMATEUR
2► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
Conception matérielle de l’estimateur (1/13) 9
OUTILS DE CONCEPTION
Conception matérielle de l’estimateur (2/13) 10
VUE SYSTÈME
Conception matérielle de l’estimateur (3/13) 11
LE CONTRÔLLEUR
► 3 machines à états finis► Moore vs. Mealy► Machines de Moore: les sorties ne
dépendent que de l’état courant► Synchronisation entre le contrôleur et le
Datapath
► MCode: Programmer des machines à états finis avec le langage MATLAB
Conception matérielle de l’estimateur (4/13) 12
LE CONTRÔLLEUR
0
1
2
3
d_valid = true
cmp >= 799
dataCnt > = samples_num -1
d_validd_valid = false
dataCnt < samples_num-1
cmp < 799
INIT
cmp = 0dataCnt = 0we = false
en_add = falseallow = false
SYNC
cmp =cmp+1we = false
en_add = false
STORE
cmp =1dataCnt = dataCnt +1
we = trueen_add = true
FINISH
cmp =0dataCnt = 0we = false
en_add = falseallow = true
0
1
2
enable = true
dataCnt+tau> =samples_num-1
Finish_acquisition
enable = false
dataCnt+tau<samples_num-1
INIT
dataCnt = 0addr1 = -1addr2 = -1
accu_rst = trueaccu_en = false
we = false
ACCU
dataCnt= dataCnt +1addr1 = dataCnt
addr2 = dataCnt+tauaccu_rst = falseaccu_en = true
we = false
FINISH
dataCnt = 0addr1 = -1addr2 = -1
accu_rst = falseaccu_en = false
we = trueallow = trueAcquisition FSM xcorr FSM
Conception matérielle de l’estimateur (4/13) 12
LE CONTRÔLLEUR0
1
2
enable = true
finish_calc = true
Finish_xcorr
enable = false
finish_calc = false
INIT
tryCnt = 0retry = falsewe = false
allow = false
COMPUTE
retry = falsewe = false
FINISH
tryCnt = 0we = false
retry = falseallow = true
4
STORE
tryCnt = tryCnt+1retry = false
we = true
RETRY
retry = truewe = false
tryCnt>=iteration
finish_calc
tryCnt<iteration
3
JE FSM
Conception matérielle de l’estimateur (5/13) 13
LE DATAPATH
► Ensemble des fonctions pour manipuler le signal reçu► Unité arithmétique et logique (ALU)► 3 blocs: Acquisition + cross-correlation + new JE
Conception matérielle de l’estimateur (6/13) 14
LE DATAPATH
CH1 SAMPLE RAM
CH2 SAMPLE RAM
CORDIC ATAN
CORDIC ATAN
X ARSINLUT
|.|
|.|
SQRT(-LOG)LUT
SQRT(-LOG)LUT
X
COS
|.| SQRT(-LOG)LUT
(.)²
CORDIC DIVIDER
X
COS
CORDIC ATAN
SIN
(.)²
SQRTLUT
ACCU
ACCU
CORDIC DIVIDER
CORDIC DIVIDER
REGR11(1)
REGR12(1)
REGR12(10
0)AC
CU CORDIC DIVIDER
NEW J E BLOCKCROSS-CORRELATION COMPUTING BLOCK
ACQUISITION BLOCK
RECEIVED SIGNAL CH1
RECEIVED SIGNAL CH2
MEAN AoA PROCESS
AS PROCESS
DS PROCESS
Conception matérielle de l’estimateur (7/13) 15
LE DATAPATH
► Les look-up tables adresse valeur
0 cos(min)
1 ..
2 ..
4 ..
…
2N -2 ..
2N -1 cos(max)
Conception matérielle de l’estimateur (8/13) 16
LE DATAPATH
► Optimisation des ressources
Re-Im to Complex Complex to Re-Im
10,110…0100,100…10
10110…0100100…10
Fix16
Fix16UFix3210110…
0100100…10
Conception matérielle de l’estimateur (9/13) 17
RESSOURCES REQUISES ET PERFORMANCE
Allocation des ressources %
Slices 507 1,03 %LUTs 298 0,15 %BRAMs 124 Kb 2,43 %Flip Flops 531 0,13 %
Conception matérielle de l’estimateur (10/13) 18
RESSOURCES REQUISES ET PERFORMANCE
Nombre de cycles d’horloge Temps d’exécution
Acquisition 65536x800 65536 µsCross-correlation 1023 12,78 µs
New JEMean AoA 29 0,36 µsAS 68 0,85 µsDS 76 0,95 µs
Total 52.429.996 0,65537495 secondes
Conception matérielle de l’estimateur (11/13) 19
CONCEPTION DE LA CHAÎNE DE COMMUNICATION SIMO
Émetteur QPSK
Diagramme de constellation
► Générateur de bits pseudo-aléatoire (basé sur une structure LFSR)
► Modulateur QPSK (Look-up table)► File FIFO pour contrôler le rythme d’émission
Conception matérielle de l’estimateur (12/13) 20
TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO
► Approche de conception « down-to-top »
► Exploitation des MATLAB/Simulink blocks pour tester le design au lieu de développer les testbenchs
► Exemples: Scope,
ToWorkspace, WaveScope…
Conception matérielle de l’estimateur (13/13) 21
TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO
Test unitaire
Conception matérielle de l’estimateur (13/13) 21
TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO
Test d’intégration
IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA PLATEFORME
3► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
Implémentation dans la plateforme (1/4) 22
Station de travail
12 3
1.Nutaq MBDK Host
2.Nutaq PicoSDR 2x2
3.EB Propsim Channel Emulator
Implémentation dans la plateforme (2/4) 23
Préparation à la co-simulation
► Mux (Tx) et Demux (Rx) I/Q ► des cartes Radio420x de Nutaq PicoSDR► Ajout des registres de contrôle► Ajout d’une mémoire SDRAM
Implémentation dans la plateforme (3/4) 24
Génération du bitstream
► Configuration de la plateforme cible: horloge 12,5 ns
► Compilation: Perseus601x► Xilinx iMPACT: Charger le bitstream
dans la RAM de la plateforme
Implémentation dans la plateforme (4/4) 25
Configuration de l’émulateur de canal
► Configuration (SISO/SIMO/MISO/MIMO)
► SNR► Fréquence porteuse► Covariance entre les
antennes► Fréquence de Doppler► Bilan de puissance
CO-SIMULATIONET RÉSULTATS
4► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
Co-simulation et résultats (1/3) 26
Hadware-in-the-loop co-simulation
► Communication GigaEthernet► Interface de débogage et de
contrôle► 10.000 boucles de Monte-Carlo
Co-simulation et résultats (2/3) 27
Résultats
Co-simulation et résultats (2/3) 27
Résultats
Co-simulation et résultats (3/3) 28
Limites
► Bruit d’amplificateurs de puissance► Bruit de préamplificateurs micro-ondes► Bruit de phase des oscillateurs VCO► Bruit de connexion entre Nutaq PicoSDR et l’émulateur de
canal► Bilan de puissance
► Représentation des données limitées: virgule fixe► Précision limitée des fonctions implémentées avec des LUTs
Causes internes
Causes externes
CONCLUSIONET PERSPECTIVES
Conclusion et perspectives (1/2) 3292
Conclusion
► Modèle MATLAB de l’estimateur conjoint selon le standard LTE► Modèle embarqué avec Xilinx System Generator► SAO du design proposé► Design dans une plateforme radio logicielle► Test du fonctionnement de l’estimateur
Conclusion et perspectives (2/2) 30
Perspectives
► Scénarios de co-simulation► Effet HF dans le modèle mathématique du signal► Étude d’autres distributions angulaires► Application réelle: Antennes intelligentes
ECOLE NATIONALE D’INGÉNIEURS DE TUNIS
Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et
l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA
PROJET DE FIN D’ÉTUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS
Présenté par:Yassine SELMI
Encadré par:M. Faouzi BAHLOUL - ENIT
M. Rabah ATTIA – ENITM. Abdelaziz SAMET - INRS
EMTM. Sofiène AFFES – INRS EMT
Annexe 1Etude de
l’estimateur conjoint
AnnexeBENCHMARK
Angle d’arrivée moyen
Étalement angulaire
Étalement de Doppler
Two-Stage (TS)Spread-Root-MUSIC (SRM)Two-Rays (TR)New Joint Estimator (new JE)
AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ANGLE D’ARRIVÉE MOYEN
AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ÉTALEMENT ANGULAIRE
AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ÉTALEMENT DE DOPPLER
AnnexeORDRE DE COMPLEXITÉ EN TERME DU NOMBRE D’OPÉRATIONS EN VIRGULE FLOTTANTE
New JE TS SRM TR TS+TR
25 575 25 600 128 000 40 920 000 41 048 000
AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
Période symbole
AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
Nombre d’échantillons
AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
Période d’échantillonnage
64Ts 64Ts
Temps
Ts
Annexe 2Design détaillé
AnnexeDesign
AnnexeTransmitter QPSK
AnnexeRegistre à décalage à retroaction linéraire LFSR
AnnexeModulateur QPSK
AnnexeCross-correlation
AnnexeNew JE
AnnexeAoA process
AnnexeAS process
AnnexeDS process
AnnexeChannel SIMO
AnnexeCO-SIMULATION